一种铌酸锂薄膜光波导结构以及芯片制造技术

本实用新型专利技术公开了一种铌酸锂薄膜光波导结构以及芯片，其中，铌酸锂薄膜光波导结构，包括下包层、薄膜基板和上包层，下包层形成于基底晶片的上方，薄膜基板放置于下包层的上方；还包括下述结构中的一种：第一：薄膜基板的上表面形成有脊形结构，脊形结构为在薄膜基板的上表面形成得到的凸起结构；上包层由形成于脊形结构的左侧、右侧以及上方的介质材料构成；第二：薄膜基板进行完全的刻蚀处理，形成独立的薄膜基板芯层，薄膜基板芯层放置于下包层的上方，上包层由形成于薄膜基板芯层的左侧、右侧以及上方的介质材料构成。本申请结构能够降低光波导的折射率差，减少高阶光波模式在铌酸锂薄膜光波导中的存在，并增大光波模式的空间分布尺寸。

【技术实现步骤摘要】
一种铌酸锂薄膜光波导结构以及芯片
本技术应用于光纤通信、光纤传感、量子通信等
，尤其涉及一种铌酸锂薄膜光波导结构以及芯片。
技术介绍
近年来，随着大尺寸铌酸锂薄膜键合晶圆的制备技术的成熟，基于铌酸锂薄膜材料制备的各种无源光器件和有源光电器件，如光分路器、电光调制器、声光调制器等，体现出了明显优于铌酸锂块状材料的性能，如光波导弯曲半径更小、光调制驱动电压更低、光电集成度更高等，可以制作出体积更小、功耗更低、集成度更高的新型铌酸锂光电器件。基于铌酸锂薄膜材料制备所得的光波导的显著特征之一是较大的折射率差。例如，对于上包层为空气、下包层为二氧化硅的铌酸锂薄膜基板，其与上包层材料之间的折射率差在1.1～1.2，其与下包层材料之间的折射率差在0.6～0.8。相比之下，在铌酸锂块状材料中制备所得的光波导的折射率差一般在0.01的水平，远小于铌酸锂薄膜光波导。因此，铌酸锂薄膜光波导对光波有着很强的束缚性，可以制作出尺寸更小、弯曲半径更小的光器件。但是，铌酸锂薄膜基板与上包层、下包层之间较大的折射率差以及不对称的折射率差分布，容易导致如下问题的出现：(1)对于较大空间尺寸的铌酸锂薄膜光波导，容易激发出高阶光波模式，会导致光波导插入损耗的增加以及基于此光波导而形成的电光调制器的调制相位的混乱。减小光波导空间尺寸可以有效地减少高阶光波模式的出现，但也不可避免地会降低光波导模场的空间分布尺寸，引起其与光纤之间由于光波导模式匹配程度的下降而引起的耦合损耗的增大；(2)铌酸锂薄膜基板与包层介质之间不对称的折射率分布，会引起光波模式的空间分布呈椭圆形状，而光纤的光波模式呈圆形分布，因此铌酸锂薄膜光波模式与光纤之间由于光波模式的不匹配会而引起二者间耦合损耗的增大。
技术实现思路
针对上述问题，本技术的第一目的在于，提出一种铌酸锂薄膜光波导结构，通过在铌酸锂薄膜基板的上方沉积非金属介质材料薄膜作为上包层，降低光波导的折射率差，减少高阶光波模式在铌酸锂薄膜光波导中的存在，并增大光波模式的空间分布尺寸。本技术的第二目的在于，提出一种铌酸锂薄膜光波导芯片，使用上述第一目的所提出的铌酸锂薄膜光波导结构。为实现本技术的第一目的，本技术提供了一种铌酸锂薄膜光波导结构，包括下包层、薄膜基板和上包层，所述下包层形成于基底晶片的上方，所述薄膜基板放置于所述下包层的上方；还包括下述结构中的一种：第一种：所述薄膜基板的上表面形成有脊形结构，所述脊形结构为在所述薄膜基板的上表面形成得到的凸起结构；所述上包层由形成于脊形结构的左侧、右侧以及上方的介质材料构成；第二种：薄膜基板进行完全的刻蚀处理，形成独立的薄膜基板芯层，所述薄膜基板芯层放置于下包层的上方，所述上包层由形成于薄膜基板芯层的左侧、右侧以及上方的介质材料构成。进一步地，在第二种结构中，在薄膜基板芯层两侧形成沟槽，所述沟槽的深度采用下述中的一种：第一种：沟槽深度等于薄膜基板的厚度，宽度不小于1μm，在薄膜基板上制备出薄膜基板芯层；第二种：沟槽深度大于薄膜基板的厚度、但小于从薄膜基板的上表面至基底晶片的底面之间的总厚度。进一步地，对所述上包层进行平坦化处理，使之成为一个平坦的薄膜层，或者，对上包层进行图形化处理。进一步地，，所述上包层为一层厚度不小于100nm的非金属薄膜，其组成材料为氧化硅、氧化镁、氧化钽、氧化铝、氧化钛、氮化硅、苯并环丁烯中的一种。进一步地，所述上包层采用与下包层相同的组成材料。进一步地，所述下包层采用介质材料薄膜与键合增强薄膜组成的多层介质材料结构。进一步地，从薄膜基板向基底晶片方向的材料组成结构分别为：薄膜基板、下包层中的介质材料薄膜、下包层中的键合增强薄膜、基底晶片，且所述下包层中的介质材料薄膜以及键合增强薄膜的厚度均不小于100nm。为实现本技术的第二目的，本技术提供了一种铌酸锂薄膜光波导芯片，包括：基底晶片和上述的铌酸锂薄膜光波导结构。进一步地，薄膜基板的晶体切向为X切或Z切，厚度在0.1μm～10μm。进一步地，所述基底晶片的材料为铌酸锂、钽酸锂、硅、石英、蓝宝石中的一种，厚度在0.2mm至2mm。与现有技术相比，本技术具有如下有益效果：通过在铌酸锂薄膜基板的外部放置了折射率大于空气的上包层介质材料，降低了光波导的折射率差，减少了高阶光波模式的出现，同时也增大了光波模式的空间分布尺寸，降低了光波导的传输损耗及其与光纤之间的耦合损耗；另外，通过将铌酸锂薄膜基板芯层的下包层与上包层设置为相同的材料，可以达到铌酸锂薄膜光波导的折射率在与光波传输方向垂直的水平面上呈对称分布的效果，使光波模式空间分布呈圆形状，有利于进一步地降低铌酸锂薄膜光波导与光纤之间的耦合损耗。附图说明图1：现有技术中铌酸锂薄膜光波导结构的示意图；图2：本技术第一实施例中铌酸锂薄膜光波导结构的示意图；图3：本技术第二实施例中铌酸锂薄膜光波导结构的示意图；图4A：本技术第三实施例中铌酸锂薄膜键合晶片结构及薄膜基板芯层的示意图；图4B：本技术第三实施例中形成有上包层的铌酸锂薄膜光波导结构的示意图；图4C：本技术第三实施例中对上包层进行平坦化处理后的铌酸锂薄膜光波导结构的示意图；图4D：本技术第三实施例中对上包层进行图形化处理后的铌酸锂薄膜光波导结构的示意图；图5A：本技术第四实施例中铌酸锂薄膜键合晶片结构及薄膜基板芯层的示意图；图5B：本技术第四实施例中形成有上包层的铌酸锂薄膜光波导结构的示意图；图5C：本技术第四实施例中对上包层进行平坦化处理后的铌酸锂薄膜光波导结构的示意图；图5D：本技术第四实施例中对上包层进行图形化处理后的铌酸锂薄膜光波导结构的示意图；图中各个标记所对应的名称分别为：1、基底晶片；2、下包层；21、介质材料薄膜；22、键合增强薄膜；3、薄膜基板；31、脊形结构；32、薄膜基板芯层；4、光波导；5、上包层。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。以下结合附图和具体实施例对本技术作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。实施例一在本实施例中，提出如下一种铌酸锂薄膜光波导结构，包括：下包层2、薄膜基板3、上包层5。下包层2形成于基底晶片1的上方，一方面可以作为键合粘接层以加强基底晶片1与薄膜基板3之间的键合效果，另一方面也可以作为下包层以实现对形成于薄膜基板3中的光波模式在竖直方向上的束缚作用。下包层2的组成材料可以是氧化硅、氧化镁、氧化钽、氧化铝、氮化硅等非金属材料中的任一种，也可以是苯并环丁烯(BCB)聚合物材料。优选的，下包层2采用二氧化硅。下包层2的厚度不小于1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铌酸锂薄膜光波导结构，其特征在于，包括下包层、薄膜基板和上包层，所述下包层形成于基底晶片的上方，所述薄膜基板放置于所述下包层的上方；/n还包括下述结构中的一种：/n第一种：所述薄膜基板的上表面形成有脊形结构，所述脊形结构为在所述薄膜基板的上表面形成得到的凸起结构；所述上包层由形成于脊形结构的左侧、右侧以及上方的介质材料构成；/n第二种：薄膜基板进行完全的刻蚀处理，形成独立的薄膜基板芯层，所述薄膜基板芯层放置于下包层的上方，所述上包层由形成于薄膜基板芯层的左侧、右侧以及上方的介质材料构成。/n

【技术特征摘要】
1.一种铌酸锂薄膜光波导结构，其特征在于，包括下包层、薄膜基板和上包层，所述下包层形成于基底晶片的上方，所述薄膜基板放置于所述下包层的上方；
还包括下述结构中的一种：
第一种：所述薄膜基板的上表面形成有脊形结构，所述脊形结构为在所述薄膜基板的上表面形成得到的凸起结构；所述上包层由形成于脊形结构的左侧、右侧以及上方的介质材料构成；
第二种：薄膜基板进行完全的刻蚀处理，形成独立的薄膜基板芯层，所述薄膜基板芯层放置于下包层的上方，所述上包层由形成于薄膜基板芯层的左侧、右侧以及上方的介质材料构成。


2.根据权利要求1所述的铌酸锂薄膜光波导结构，其特征在于，
在第二种结构中，在薄膜基板芯层两侧形成沟槽，所述沟槽的深度采用下述中的一种：
第一种：沟槽深度等于薄膜基板的厚度，宽度不小于1μm，在薄膜基板上制备出薄膜基板芯层；
第二种：沟槽深度大于薄膜基板的厚度、但小于从薄膜基板的上表面至基底晶片的底面之间的总厚度。


3.根据权利要求2所述的铌酸锂薄膜光波导结构，其特征在于，对所述上包层进行平坦化处理，使之成为一个平坦的薄膜层，或者，对上包层进行图形化处理。


4.根据权利要求1所述的铌酸锂薄膜光波导结构，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李萍，
申请(专利权)人：天津领芯科技发展有限公司，
类型：新型
国别省市：天津;12